JP2008523592A - 気体の下流解離化のための方法及び装置 - Google Patents

気体の下流解離化のための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

気体を活性化し解離する方法及び装置であって、チャンバの中のプラズマを用いて活性化気体を発生するステップを含む。下流気体入力をチャンバの出力に対して配置することにより、気体入力によって導かれる下流気体の解離を容易化し、解離された下流気体がチャンバの内側表面と実質的に相互作用しないようにする。

Description

本発明は、気体を活性化する方法及び装置に関する。更に詳しくは、本発明は、解離された気体を発生する方法及び装置に関し、また、解離された気体を用いて材料を処理する装置及び方法に関する。
プラズマは、気体を活性化して励起状態にして、反応性を高めるのに用いられることが多い。気体の励起には、気体のエネルギ状態を高くすることが含まれる。ある場合には、気体は、励起されて、イオン、フリー（自由）ラジカル、原子及び分子を含む解離状態にある（解離された）気体を生じる。解離された気体は、半導体ウエハなどの固体材料、粉体及びそれ以外の気体の処理を含む多くの産業的及び科学的な応用例で用いられる。解離された気体のパラメータと、解離された気体を処理される材料に露出する条件とは、応用例に応じて大きく変化する。プラズマにおいて解離を生じさせるためには極めて大きな電力が必要となる場合がある。
プラズマ源は、例えば、プラズマ気体（例えば、Ｏ２、Ｎ２、Ａｒ、ＮＦ３、Ｈ２及びＨｅ）又は気体の混合物に十分な大きさの電位を印加することによって、プラズマを発生させる。プラズマは、ＤＣ放電、無線周波数（ＲＦ）放電、マイクロ波放電を含む様々な方法で発生させることができる。ＤＣ放電プラズマは、プラズマ気体の中にある２つの電極の間に電位を印加することによって達成される。ＲＦ放電は、電源からの結合エネルギを静電的に又は誘導的にプラズマに結合させることによって得られる。マイクロ波放電プラズマは、マイクロ波エネルギを直接にマイクロ波透過性のウィンドウを介してプラズマ気体を含む放電チャンバの中に結合することによって達成される。プラズマは、典型的には、アルミニウムなどの金属材料や石英などの誘電材料で構成されたチャンバの中に閉じ込められる。
活性化気体がプラズマ源とは適合的でない応用例が存在する。例えば、半導体製造においては、原子酸素（atom oxygen）をフォトレジストと反応させ、フォトレジストを揮発性のＣＯ２及びＨ２Ｏの副産物に変換することによって、半導体ウエハからフォトレジストを取り去る。原子状の酸素は、プラズマ源のプラズマ・チャンバの中のプラズマを用いてＯ２（又は、酸素を含む気体）を解離することによって生じさせるのが典型的である。プラズマ・チャンバは、典型的には、原子状酸素と石英との表面再結合率が低いため、石英で作られる。原子状のフッ素が原子状の酸素と共に用いられることが多いが、その理由は、原子状のフッ素はフォトレジスト除去プロセスを加速するからである。フッ素は、例えば、プラズマ・チャンバの中のプラズマを用いて、ＮＦ３又はＣＦ４を解離することによって発生される。しかし、フッ素は、腐食性が強く、石英チャンバと相互作用をして悪影響を生じる可能性がある。類似する動作条件の下では、チャンバの材料（例えば、サファイアやアルミニウム窒化物）と適合的なフッ素の使用により、原子状の酸素の発生の効率を低下させ、処理コストを増大させることになる。その理由は、フッ素と適合的な材料は、石英よりも効果なのが一般的だからである。
活性化気体がプラズマ・チャンバの材料と適合的でないような別の応用例として、水素を含むプラズマが石英チャンバの中に配置される場合がある。励起された水素原子及び分子は、石英（ＳｉＯ２）と反応して、石英をシリコンに変換してしまう。チャンバの材料組成の変化は、例えば、結果的に、処理パラメータの望まない変動を生じさせるし、パーティクルの発生も引き起こす。他の応用例では、窒素が処理の間にプラズマ・チャンバの中に存在する場合には、石英はＳｉ３Ｎ４に変換される可能性がある。
従って、解離された気体のプラズマ・チャンバへの悪影響を最小化するような態様で、プラズマを用いてきた異を効果的に解離する必要性が存在している。
発明の概要
本発明は、気体を解離する方法に関する。この方法は、チャンバの中でプラズマを用いて活性化気体を発生するステップと、前記チャンバの出力に対して下流気体入力を配置して、前記活性化気体が、前記気体入力によって導かれた下流気体の解離を容易化することを可能にするステップと、を含んでおり、前記解離された下流気体は、前記チャンバの内部表面とは実質的に相互作用しない。
ある実施例では、前記プラズマは遠隔プラズマ源によって発生される。また、前記遠隔プラズマ源は、ＲＦプラズマ発生器とマイクロ波プラズマ発生器とＤＣプラズマ発生器とで構成されるグループから選択された遠隔プラズマ源である。前記プラズマは、酸素と窒素とヘリウムとアルゴンとの中の１又は複数を含むプラズマ気体から発生される。前記下流気体はハロゲン気体を含む。前記下流気体は、Ｆ２、ＸｅＦ２、ＮＦ３、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、Ｃ２ＨＦ５、Ｃ３Ｆ８及びＣ４Ｆ８で構成されるグループから選択されたハロゲン気体を含む。前記下流気体はフッ素を含む。前記チャンバの内部表面は、石英、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、イットリウム及びサファイアで構成されるグループから選択された材料を含む。
また、前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記解離された下流気体と前記チャンバの内部表面との間の相互作用を最小化する位置において導かれる。前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記下流気体が解離される程度を最大化する位置において導かれる。前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記解離された下流気体が前記チャンバの内部表面と相互作用する程度と前記下流気体が解離される程度とを均衡させる位置において導かれる。前記解離された下流気体は基板のエッチングを容易化するのに用いられる。
本発明による方法は、前記下流気体の解離を最適化するように前記下流気体の特性を特定するステップを含む。また、本発明による方法においては、前記特性は、圧力と流率と前記チャンバの出力から注入された距離との中の１又は複数である。前記下流気体の解離を最適化するように前記プラズマ気体の特性を特定するステップを含む。また、前記特性は、圧力と流率と気体のタイプと気体組成とプラズマへの電力との中の１又は複数でありうる。更に、前記下流気体は、前記チャンバに結合されたプロセス・チャンバの中に配置された半導体ウエハの上に積層された材料を含む。
本発明は、気体を解離する方法に関する。この方法は、チャンバの中でプラズマから活性化気体を発生するステップと、前記チャンバの出力に十分に近接した位置において前記チャンバの外部にある前記活性化気体の中に下流気体を導くことにより、前記活性化気体が前記下流気体の解離を容易化するのに十分なエネルギ・レベルを有するようにするステップと、を含んでおり、前記位置が前記チャンバの出力から十分に離間していることにより、前記解離された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しない。
本発明は、フォトレジストをエッチングする方法に関する。この方法は、チャンバの中でプラズマを用いて活性化気体を発生するステップと、下流気体と前記活性化気体の少なくとも一部とを混合することにより、ｉ）前記活性化気体が前記下流気体の解離を容易化するのに十分なエネルギ・レベルを有し、ｉｉ）前記解離された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しないようにするステップと、前記解離された下流気体を用いて基板をエッチングするステップと、を含む。
本発明は、気体を解離する方法に関する。この方法は、チャンバの中でプラズマを用いて活性化気体を発生するステップと、前記プラズマによって定義される領域の外部にある前記活性化気体と相互作用するように下流気体を導き、前記活性化気体が前記下流気体の解離を容易化することを可能にするステップと、を含んでおり、前記解離された気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しない。
本発明は、気体を解離するシステムに関する。このシステムは、チャンバの中で活性化気体を発生するプラズマを発生するプラズマ源と、前記活性化気体の少なくとも一部と下流気体とを混合し、前記活性化気体が前記下流気体の解離を容易化することを可能にする手段と、を含んでおり、前記解離された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しない。ことを特徴とするシステム。
本発明は、気体を励起するシステムに関する。このシステムは、チャンバの中でプラズマ領域を発生する遠隔プラズマ源であって、前記プラズマは活性化気体を発生する、遠隔プラズマ源と、前記プラズマ領域の外部にある前記活性化気体と相互作用するように下流気体を導く注入源と、を含んでおり、前記活性化気体は前記下流気体の励起を容易化し、前記励起された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しない。
実施例によっては、前記下流気体の励起は前記下流気体の解離を含む。本発明によるシステムでは、前記チャンバの腐食又は前記チャンバへの積層を減少させるように前記チャンバの出力に配置されたバリアを含む。また、前記バリアは少なくとも部分的には前記チャンバの内部に配置されている。また、前記バリアは少なくとも部分的には前記チャンバの出力経路の内部に配置されている。前記チャンバの出力経路の内部に配置されたバリアを含む。前記チャンバは石英を含む。
更に、前記チャンバはトロイダル形のチャンバでもありうる。前記プラズマ源はトロイダル・プラズマ源でありうる。下流気体と活性化気体とを混合するミキサを含む。前記ミキサは、静流ミキサ、ヘリカル・ミキサ、ブレード又はスタック型円筒ミキサを含む。パージ気体入力を含む。前記パージ気体入力は前記チャンバの出口と前記注入源の入力との間に配置されている。
本発明は、基板の上に材料を積層する方法に関する。この方法は、チャンバの中でプラズマを用いて活性化気体を発生するステップと、前記チャンバの出力に対して下流気体入力を配置して、前記活性化気体が前記気体入力によって導かれる下流気体の解離を容易化するのを可能にするステップと、を含んでおり、前記下流気体は積層される材料を含み、前記解離された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しない。
ある実施例では、前記プラズマは遠隔プラズマ源によって発生される。前記遠隔プラズマ源は、ＲＦプラズマ発生器とマイクロ波プラズマ発生器とＤＣプラズマ発生器とで構成されるグループから選択された遠隔プラズマ源である。前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記解離された下流気体と前記チャンバの内部表面との間の相互作用を最小化する位置において導かれる。前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記下流気体が解離される程度を最大化する位置において導かれる。前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記解離された下流気体が前記チャンバの内部表面と相互作用する程度と前記下流気体が解離される程度とを均衡させる位置において導かれる。積層される材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｓｒ又はＡｌの中の１又は複数を含む。前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記解離された下流気体が前記チャンバの内部表面と相互作用する程度と前記下流気体が解離される程度とを均衡させる位置において導かれる。
本発明は、基板の上に材料を積層するシステムに関する。このシステムは、チャンバの中でプラズマ領域を発生する遠隔プラズマ源であって、前記プラズマは活性化気体を発生する、遠隔プラズマ源と、前記プラズマ領域の外部にある前記活性化気体と相互作用するように、積層材料を含む下流気体を導く注入源と、を含んでおり、前記活性化気体は前記下流気体の励起を容易化し、前記励起された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しない。前記下流気体の励起は前記下流気体の解離を含むことを特徴とするシステム。
また、前記積層材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｓｒ又はＡｌの中の１又は複数を含む。このシステムは、下流気体と活性化気体とを混合するミキサを含む。前記ミキサは、静流ミキサ、ヘリカル・ミキサ、ブレード又はスタック型円筒ミキサを含む。パージ気体入力を含む。前記パージ気体入力は前記チャンバの出口と前記注入源の入力との間に配置されている。
本発明に関する上述した及びそれ以外の目的、特徴及び効果は、以下の詳細な説明と特許請求の範囲とから明らかになるはずである。
本発明の上述した及びそれ以外の目的、特徴及び効果は、そして本発明自体も、以下の例示的な説明を添付の図面（ただし、必ずしも実際の寸法通りではない）を参照して読むことによってより完全に理解できるはずである。
図１は、本発明を実現する解離された気体を生じる気体解離システム１００の概略図である。プラズマは、多くの場合、気体を活性化して励起状態にし、気体の反応性を高めるために用いられる。気体の励起には、気体のエネルギ状態を高くすることが含まれる。ある場合には、気体を励起すると、イオン、自由ラディカル、原子及び分子を含む解離状態にある解離された気体が生じる。システム１００は、気体ライン１１６を介してプラズマ・チャンバ１０８に接続されたプラズマ気体源１１２を含む。弁１２０は、プラズマ気体源１１２から気体ライン１１６を通過してプラズマ・チャンバ１０８に至るプラズマ気体（例えば、Ｏ２、Ｎ２、Ａｒ、ＮＦ３、Ｈ２、Ｈｅなど）の流れを制御する。弁１２０は、例えば、ソレノイド弁、比例式ソレノイド弁、質量流量コントローラなどでありうる。プラズマ発生器１８４は、プラズマ・チャンバ１０８の中にプラズマ領域１３２を発生する。プラズマ１３２は、プラズマ活性化気体１３４を含み、その一部は、チャンバ１０８の外部に流れ出る。プラズマ活性化気体１３４は、プラズマ１３２の加熱とプラズマ気体の活性化との結果として生じる。この実施例では、プラズマ発生器１８４は、プラズマ・チャンバ１０８の部分的に周囲に配置される。システム１００は、また、プラズマ発生器１８４への接続１２８を介して電力を提供してプラズマ・チャンバ１０８の中でプラズマ１３２（活性化気体１３４を含む）を発生させる電源１２４を含む。プラズマ・チャンバ１０８は、例えば、アルミニウムや耐火性の金属などの金属材料で形成することができるし、又は、石英やサファイアなどの誘電材料で形成することも可能である。ある実施例では、プラズマ気体以外の気体を用いて活性化気体を発生することもある。ある実施例では、プラズマ気体は、プラズマの発生と活性化気体の発生との両方に用いられる。
プラズマ・チャンバ１０８は、プロセス・チャンバ１５６の入力１７６に経路１６８を介して接続された出力１７２を有する。活性化気体１３４の少なくとも一部は、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２から流れ出て、経路１６８を通過する。活性化気体１３４の中で運ばれるエネルギの量は、経路１６８の長さに沿った距離に応じて減少する。注入源１０４（例えば、気体注入源）は、経路１６８の長さ方向に沿った距離１６８の位置に配置されている。注入源１０４は、また、プラズマ・チャンバ１０８の下方部分に配置さ
れることもある。気体注入源１０４は、気体（例えば、活性化気体１３４によって解離される下流気体）を経路１６８の領域１６４の中に導く少なくとも１つの気体入口１８０を有する。下流気体源１３６は、下流気体（ＮＦ３、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、ＸｅＦ２、Ｃｌ２、ＣｌＦ３、Ｈ２又はＮＨ３）を気体ライン１４０と気体入口１８０とを介して、経路１６８の領域１６４に導く。弁１４４が、気体ライン１４０を通過する下流気体の流れを制御する。下流気体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｓｒ、Ｚｒなどを含む積層前駆体（deposition precursors）を含みうる。弁１４４は、例えば、ソレノイド弁、比例（proportional）ソレノイド弁、質量流量コントローラなどである。
距離１４８において経路１６８の領域１６４の中に導かれた下流気体は、解離された下流気体１５２の流れを生じる活性化気体１３４の少なくとも一部と相互作用する。この出願で用いている「下流気体」という用語であるが、これは、気体入口１８０を通過して経路１６８の中に導かれる気体を意味する。そして、「解離された下流気体」という用語は、下流気体と活性化気体とが相互作用した結果として生じる気体を意味する。解離された下流気体１５２は、例えば、活性化気体１３４と下流気体と活性化気体１３４によって励起された（例えば、解離された）下流気体との混合物を含む。ある実施例では、解離された下流気体１５２は、活性化気体１３４によって解離された気体を実質的に含む。他の実施例では、解離された下流気体１５２は、例えば、実質的に活性化された気体１３４を含む。
解離された下流気体１５２は、経路１６８を通過して、プロセス・チャンバ１５６の入力１７６の中に流れる。プロセス・チャンバ１５６の中に配置されたサンプル・ホルダ１６０は、解離された下流気体１５２によって処理された材料を支持する。オプショナルな気体配分装置又はシャワーヘッド（図示せず）をチャンバ１５６の入力１７６に設けて、解離された気体を、例えば、ホルダ１６０の上に配置された基板の表面に一様に配分（分配）することが可能である。ある実施例では、解離された下流気体１５２は、プロセス・チャンバ１５６の中のサンプル・ホルダ１６０の上に配置された半導体ウエハ又は基板のエッチングを容易化する。別の実施例では、解離された下流気体１５２は、プロセス・チャンバ１５６の中のサンプル・ホルダ１６０の上に配置された基板への薄膜の積層を容易化する。活性化気体１３４は、下流気体と相互作用して解離された下流気体１５２を生じさせるのに十分なエネルギを有する。
ある実施例では、経路１６８の領域１６４の中に導かれた下流気体のあるパーセンテージが、活性化気体１３４によって解離される。下流気体が解離される程度（例えば、パーセンテージ）は、例えば、活性化気体１３４の中で運ばれるエネルギの量とエネルギ・レベルとの関数である。活性化気体１３４は、下流気体の原子の間の結合を解いて解離を達成する下流気体の結合エネルギ・レベルよりも高いエネルギ・レベルを有することができる。ある実施例では、活性化気体１３４は、下流気体を熱的に励起して複数の衝突プロセスを通じて解離する（解離させる）のに十分なエネルギを運ぶことができる。例えば、ＣＦ４は、約５．７ｅＶの結合エネルギを有し、ＮＦ３は約３．６ｅＶの結合エネルギ・レベルを有する。従って、類似する解離システム１００の動作条件の下では、ＮＦ３を解離するのよりも、ＣＦ４を解離する場合の方が、より高い活性化気体１３４のエネルギが要求される。
別の実施例では、活性化気体１３４の中に含まれているエネルギの量は経路１６８に沿ったチャンバ１０８の出力１７２からの距離に応じて減少するから、距離１４８は、気体入口１８０をプラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して配置することに関して、活性化気体１３４が下流気体源１０４によって経路１６８の中に導かれた下流気体の励起（例えば、解離）を効果的に容易化するのに十分なほどに小さな距離でなければならない。
距離１４８は、また、気体入口をプラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して配置する際に、解離された下流気体１５２がプラズマ・チャンバ１０８の内部表面と実質的に相互作用しないほど十分に大きくなければならない。ある実施例では、注入源１０４は、プラズマ密度がプラズマ・チャンバ１０８の上限に集中しているときには、プラズマ・チャンバ１０８の下方部分の中に配置することも可能である。
ある実施例では、システム１００は、チャンバ１０８の出力１７２における経路１６８の中に配置されたバリア（図解されていないが、例えば、シールド、ライナなど）を含む。このバリアは、システム１００における反応性気体への経路１６８の露出を減少させることによって、経路１６８を保護する。ある実施例では、このシールド又はライナは、部分的にチャンバ１０８の内部に配置されている。このシールド又はライナは、反応性気体（例えば、活性化気体１３４や解離された下流気体１５２）に対して実質的に抵抗性を有する材料で作られている。このようにして、シールド又はライナが反応性気体に露出されるため、シールド又はライナは、チャンバ１０８の腐食を減少させるのに用いられる。
ある実施例では、ライナは、チャンバ１０８の出力１７２における経路１６８の内部に配置される。ライナは、反応性気体と化学的に適合的な材料で作られる。ある実施例では、シールド又はライナは取外し可能であり、週的な交換が可能になっている。シールド又はライナは、従って、化学的な一貫性の点から、プラズマ・チャンバと同じ材料で作ることもできる。
実施例によっては、シールド又はライナは、チャンバ１０８の中の要素の熱的なストレスを低減する。シールド又はライナは、活性化気体１３４と解離された下流気体１５２との中の反応種の損失を減少させる材料で作り、反応種の出力を最大化することができる。再結合性が低い材料には、例えば、石英、ダイアモンド、ダイアモンドライクな炭素、サファイア、ハイドロカーボン、フルオロカーボンなどが含まれる。シールド又はライナは、また、よりよい金属及び熱特性のために、金属で作ることも可能である。金属シールド又はライナの表面を、化学的に適合的な又は表面再結合／反応が低い材料の層でコーティングして、全体的な性能を向上させることも可能である。
ある実施例では、システム１００は、プラズマ・チャンバ１０８の気体出力１７２と気体入口１８０との間にパージ気体入力（図示せず）を追加的に含む。パージ気体を気体入口１８０を介して流すことによって、下流気体がプラズマ・チャンバ１０８の中へ逆流することを防止（又は、最小化）することができる。この逆流は、プラズマ気体の流率が小さいときに生じうる。パージ気体は、希ガス（例えば、ＡｒやＨｅ）又はプロセスガス（例えば、Ｏ２やＨ２）でありうる。
ある実施例では、システム１００は、経路１６８における下流気体の解離百分率（パーセンテージ）を測定するセンサ（図示せず）を含む。ある実施例では、同じセンサを用いて、解離された下流気体１５２がプラズマ・チャンバ１０８の内部表面（内側表面）と相互作用してどの程度の悪影響を生じるかを判断するのに用いられる。解離百分率と解離された下流気体１５２がチャンバ１０８の内部表面との相互作用の程度との両方を測定する例示的なセンサとして、米国ウィスコンシン州マディソン（Madison）所在のサーモ・エレクトロン（Thermo Electron）コーポレーションから市販されているニコレット５１０Ｐメトロロジ・ツールがある。このセンサは、例えば、ＳｉＦ４の存在を測定する。ＳｉＦ４は、石英プラズマ・チャンバとの相互作用から生じるホウ素の副産物（解離された下流気体）である。しかし、このセンサは、必須ではなく、システム１００において使用可能であるというだけである。従って、高レベルのＳｉＦ４の存在を指示するセンサによる測定は、解離された下流気体１５２が石英プラズマ・チャンバ１０８の内部表面と相互作用して悪影響を生じていることを意味する。下流気体の解離百分率は、様々なファクタに
左右される。１つのファクタとしては、下流気体が経路１６８の領域１６４に導かれる距離１４８である。別のファクタとして、下流気体が経路１６８の領域１６４に導かれる距離１４８における活性化気体１３４のエネルギ量である。
ある実施例では、下流気体は、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２との関係で、解離された気体１５２とプラズマ・チャンバ１０８の内部表面との間の相互作用を最小化する距離１４８で導かれる。別の実施例では、下流気体は、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２との関係で、下流気体が解離される程度を最大化する距離１４８で導かれる、更に別の実施例では、下流気体は、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２との関係で、解離された下流気体１５２がプラズマ・チャンバ１０８の内部表面と相互作用する程度と、下流気体が解離される程度とを均衡させる距離で導かれる。
プラズマ源１８４は、例えば、ＤＣプラズマ発生器、無線周波数（ＲＦ）プラズマ発生器、マイクロ波プラズマ発生器などである。プラズマ源１８４は、遠隔プラズマ源でもよい。例えば、プラズマ源１８４は、米国マサチューセッツ州ウィルミントン（Wilmington）所在のＭＫＳインスツルメント社によって製造されるASTRON（登録商標）又はR*evolution（登録商標）の遠隔プラズマ源でもよい。ＤＣプラズマ発生器は、プラズマ気体の中にある２つの電極の間に電位を与えることによってＤＣ電荷を生じる。ＲＦプラズマ発生器は、電源からプラズマの中にエネルギを静電的に又は誘導的に結合することによってＲＦ放電を生じる。マイクロ波プラズマ発生器は、マイクロ波エネルギをマイクロ波通過型のウィンドウを介してプラズマ気体を含むプラズマ・チャンバの中に直接に結合することによって、マイクロ波放電を生じる。
ある実施例では、プラズマ源はトロイダル・プラズマ源であり、チャンバ１０８は石英チャンバである。この石英チャンバは、例えば、一体の溶融石英でありうる。他の実施例では、別のタイプのプラズマ源やチャンバ材料を用いることがありうる。例えば、サファイア、アルミナ、アルミニウム窒化物、イットリウム酸化物、シリコン・カーバイド、ホウ素窒化物、アルミニウムやニッケルやステンレス・スチールなどの金属、陽極酸化処理アルミニウムなどコーティングされた金属を用いることがありうる。
電源１２４は、例えば、ＲＦ電源又はマイクロ波電源でありうる。ある実施例では、プラズマ・チャンバ１０８は、プラズマ・チャンバ１０８の中でプラズマ１３２に点火する初期イオン化イベントを提供する自由電荷を発生する手段を含む。初期イオン化イベントは、プラズマ・チャンバ１０８に印加される短い高電圧パルスでありうる。このパルスは、約５００から１万ボルトの電圧を有していて、約０．１マイクロ秒から１００ミリ秒の長さでありうる。アルゴンのような希ガスをプラズマ・チャンバ１０８の中に導いて、プラズマ１３２に点火するのに必要な電圧を低下させることが可能である。また、紫外線放射を用いて、プラズマ・チャンバ１０８の中に自由電荷を発生し、それによって、プラズマ・チャンバ１０８の中でプラズマ１３２に点火する初期イオン化イベントを提供することも可能である。
制御システム（図示せず）を用いて、例えば、プラズマ気体源１１２からプラズマ・チャンバ１０８の中へのプラズマ気体の流れを規制する弁１１６（例えば、質量流量コントローラなど）の動作を制御することができる。この制御システムは、また、下流気体源１３６から領域１６４の中への下流気体の流れを規制する弁１４４（例えば、質量流量コントローラなど）の動作を制御するのにも用いることができる。更にまた、この制御システムは、プラズマ発生器１８４の動作パラメータ（例えば、プラズマ１３２と後では活性化気体１３４とに与えられる電力や、気体の流率や圧力など）を修正するのに用いることもできる。
いくつかの実施例では、システム１００は、プロセス・チャンバ１５６の中でサンプル・ホルダ１６０の上に配置されている半導体ウエハの上に材料を積層することが想定される。例えば、下流気体は、積層材料（例えば、ＳｉＨ４、ＴＥＯＳ、ＷＦ６など）を含みうる。下流気体は、また、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｓｒ及びＺｒなどを含む他の積層前駆体（deposition precursors）を含むことがありうる。活性化気体１３４は、下流気体の中の積層材料と相互作用して、サンプル・ホルダ１６０の上に配置されているウエハの上に積層されうる積層種を生じる。積層前駆体がプラズマに露出することにより、前駆体分子が気体面において分解することになる。従って、活性化気体による前駆体の励起は、積層表面の上での前駆体の分解が望ましい応用例では、効果的でありうる。いくつかの実施例では、下流気体は、金属又は半導体材料を含む１又は複数の気体や、金属又は半導体材料を含む酸化物又は窒化物を含む。
システム１００は、ミラーやフィルタやレンズなどの基板の上に光学的なコーティングを積層するのに用いることができる。システム１００は、基板の表面の性質を修正するのに用いることができる。システム１００は、表面を生体適合的にするのに用いることができるし、その水分吸収性を変化させるのに用いることができる。システム１００は、微視的又はナノスケールの粒子や粉体を生成するのに用いることができる。
図２Ａ及び２Ｂは、本発明の原理を組み入れた注入源１０４のある実施例を図解している。この実施例では、注入源１０４は、中央領域１６４を定義するディスク形の本体２００を有する。領域１６４は、本体２００の第１の端部２０８から本体２００の第２の端部２１２まで延長する。注入源１０４は、それ自体の本体２００を通過して延長する６つの入口１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄ、１８０ｅ及び１８０ｆ（全体としては１８０で表す）を有する。入口１８０は、それぞれが、本体２００の外側表面２０４における開口から本体２００の領域１６４の内側表面２１４に沿った開口まで半径方向に延長している。
ある実施例では、入口１８０は、下流気体源、例えば、図１の下流気体源１３６に接続されている。下流気体源１３６は、入口１８０を介して領域１６４に至る下流気体の流れを提供する。活性化気体１３４は、注入源１０４の第１の端部２０４において注入源１０４に入る。活性化気体１３４の少なくとも一部は、下流気体の少なくとも一部と相互作用して、解離された下流気体１５２を生じる。解離された下流気体１５２は、注入源１０４の本体２００の第２の端部２１２から出て、例えば、解離システム１００の経路１６８に沿って流れる。入口１８０については、上述のもの以外の数、幾何学的形状及び角度の方向が考えられる。例えば、入口１８０は、図２Ｂの端面（end-view）から見た場合に、注入源１０４の本体２００の領域１６４の中心に対して、ある角度を有するように向けられることがありうる。
図３Ａ及び３Ｂに図解されている別の実施例では、注入源１０４は、領域１６４を定義するディスク形の本体２００を有する。本体２００は、第１の端部２０８と第２の端部２１２とを有する。注入源１０４は、それ自体の本体２００を通過して延長する６つの入口１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄ、１８０ｅ及び１８０ｆ（全体としては１８０で表す）を有する。他の実施例では、入口の数は異なっている場合がありうる。入口１８０は、それぞれが、本体２００の外側表面２０４における開口から本体２００の領域１６４の内側表面２１４に沿った開口まで、角度３０４を有するように延長している。ある実施例では、入口１８０は、下流気体源、例えば、図１の下流気体源１３６に接続されている。下流気体源１３６は、入口１８０を介して領域１６４に至る下流気体の流れを提供する。下流気体は、本体２００の第１の端部２０８を介して領域１６４に入る活性化気体１３４によって少なくとも部分的には解離される。解離された下流気体１５２は、本体２０
０の第２の端部２１２において領域１６４から外に出る。
例として、ＮＦ３を解離する実験が行われた。図２Ａ及び２Ｂの注入源１０４は、この注入源１０４の本体（ボディ）２００の領域１６４の中にＮＦ３を導くのに用いられた。入口１８０のそれぞれに対して、約０．５ｍｍの内径が選択された。図４には、図１の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＮＦ３の解離結果のプロット４００が図解されている。プロット４００のＹ軸４１２は、ＮＦ３の解離百分率（パーセンテージ）である。プロット４００のＸ軸４１６は、石英プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して領域１６４の中へＮＦ３（下流気体）が注入される距離１４８である。
図４は、プラズマ気体（Ｏ２／Ｎ２）と下流気体（ＮＦ３）との流率が固定されていると、ＮＦ３の解離百分率は気体圧力と共に上昇し、プラズマ・チャンバの出口からの距離と共に減少することを示している。距離１４８が増大すると、ＮＦ３の解離百分率は、特定されたプラズマ気体の圧力レベル（２Ｔｏｒｒ、３Ｔｏｒｒ、４Ｔｏｒｒ、５Ｔｏｒｒ（曲線４０８）、６Ｔｏｒｒ（曲線４０４）、７Ｔｏｒｒ）に対して減少する。図解されているように、曲線４０４は、プラズマ気体の圧力が６ＴｏｒｒであってＯ２／Ｎ２のプラズマ気体のプラズマ・チャンバ１０８の中への流率が４／０．４ｓｌｍである場合には、ＮＦ３の解離百分率は、約１．０ｃｍと等しい距離１４８におけるＮＦ３の約９２％の解離から、約１２．２ｃｍと等しい距離１４８におけるＮＦ３の約８％の解離まで減少することを示している。曲線４０８は、プラズマ気体の圧力が５ＴｏｒｒであってＯ２／Ｎ２のプラズマ気体のプラズマ・チャンバ１０８の中への流率が４／０．４ｓｌｍである場合には、ＮＦ３の解離百分率は、約１．０ｃｍと等しい距離１４８におけるＮＦ３の約７７％の解離から、約１２．２ｃｍと等しい距離１４８におけるＮＦ３の約３％の解離まで減少することを示している。
この実験では、石英チャンバ１０８に対する解離された下流気体１５２の最小の悪影響が、上述したニコレット（Nicolet）５１０Ｐセンサを用いて測定された。このニコレット５１０Ｐセンサは、１ｓｃｃｍのＳｉＦ４を検出する感度を有している。この実験では、様々なプラズマ気体圧力とＮＦ３（下流気体）が石英プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対する領域１６４の中に注入される距離１４８とに対し、ニコレット・センサを用いて、ＳｉＦ４は測定されなかった。
例として、ＣＦ４を解離する実験が行われた。図３Ａ及び３Ｂの注入源１０４は、この注入源１０４の本体２００の領域１６４の中にＣＦ４を導くのに用いられた。入口１８０のそれぞれに対して、約０．５ｍｍの内径が選択された。図５には、図１の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＣＦ４の解離結果のプロット５００が図解されている。プロット５００のＹ軸５１２は、ＣＦ４の解離百分率である。プロット５００のＸ軸５１６は、石英プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して経路１６８の領域１６４の中へＣＦ４（下流気体）が注入される距離１４８である。
図５は、距離１４８が増大すると、プラズマ気体（Ｏ２／Ｎ２）と下流気体（ＮＦ３）との流率が固定されていると、ＮＦ３の解離百分率は気体圧力と共に上昇し、プラズマ・チャンバの出口からの距離と共に減少することを示している。距離１４８が増大すると、ＣＦ４の解離百分率は、様々なプラズマ気体のタイプと流率と圧力（４Ｔｏｒｒの場合に０．４ｓｌｍのＮ２と混合された４ｓｌｍのＯ２、４Ｔｏｒｒの場合に４ｓｌｍのＯ２（曲線５０４）、２Ｔｏｒｒの場合に３ｓｌｍのＮ２、６Ｔｏｒｒの場合に６ｓｌｍのＡｒ（曲線５０８））に対して減少することを示している。図解されているように、曲線４０４は、プラズマ・チャンバ１０８の中の圧力が４Ｔｏｒｒであって、プラズマ気体源１１２からのＯ２プラズマの流率が４ｓｌｍである場合には、１００ｓｃｃｍのＣＦ４の解離
百分率は、約０．５３ｃｍと等しい距離１４８におけるＣＦ４の約３３％の解離から、約１．０５ｃｍと等しい距離１４８におけるＣＦ４の約２％の解離まで減少することを示している。曲線５０８は、圧力が６ＴｏｒｒにおいてＡｒのプラズマ気体のプラズマ・チャンバ１０８の中への流率が６ｓｌｍである場合には、ＣＦ４の解離百分率は、約０．５３ｃｍと等しい距離１４８におけるＣＦ４の約２４％の解離から、約１．０５ｃｍと等しい距離１４８におけるＣＦ４の約１％の解離まで減少することを示している。
この実験では、石英チャンバ１０８に対する解離された下流気体１５２の最小の悪影響が、上述したニコレット５１０Ｐセンサを用いて測定された。この実験では、様々なプラズマ気体圧力とＣＦ４（下流気体）が石英プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対する領域１６４の中に注入される距離１４８とに対し、ニコレット・センサを用いて、ＳｉＦ４は測定されなかった。
ＮＦ３を解離する別の実験が行われた。図２Ａ及び２Ｂの注入源１０４は、この注入源１０４の本体２００の領域１６４の中に１００ｓｃｃｍのＮＦ３を導くのに用いられた。入口１８０のそれぞれに対して、約０．５ｍｍの内径が選択された。下流気体（ＮＦ３）は、石英プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して、約１ｃｍ（すなわち、距離１４８）において経路１６８の領域に導かれる。図６には、図１の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＮＦ３の解離結果のプロット６００が図解されている。プロット６００のＹ軸６１２は、ＮＦ３の解離百分率である。プロット６００のＸ軸６１６は、プラズマ気体源１１２によってチャンバ１０８の中に導かれるプラズマ気体の１分当たりの標準リットルにおける気体流率である（Ｎ２（曲線６０４）、１０／１の気体流率におけるＯ２／Ｎ２（曲線６０８）、Ａｒ（曲線６１０）、Ｈ２、Ｈｅ）。
図解されているように、曲線６０４は、Ｎ２プラズマ気体に対しては、１００ｓｃｃｍのＮＦ３の解離百分率は、約１．０ｓｌｍのＮ２プラズマ気体流率におけるＮＦ３の約１６％の解離から、約２．３ｓｌｍのＮ２プラズマ気体流率におけるＮＦ３の約８２％の解離まで増加することを示している。曲線６０８は、Ｏ２／Ｎ２のプラズマ気体に対しては、１００ｓｃｃｍのＮＦ３の解離百分率は、２／０．２ｓｌｍのＯ２／Ｎ２気体流率におけるＮＦ３の約１６％の解離から、５．５／０．５５ｓｌｍのＯ２／Ｎ２気体流率におけるＮＦ３の約７９％の解離まで増加することを示している。曲線６１０は、Ａｒプラズマ気体に対しては、１００ｓｃｃｍの流量のＮＦ３の解離百分率は、約２．０ｓｌｍのＡｒプラズマ気体流率におけるＮＦ３の約１４％の解離から、約１０ｓｌｍのＡｒプラズマ気体流率におけるＮＦ３の約２９％の解離まで増加することを示している。
この実験では、石英チャンバ１０８に対する解離された下流気体１５２の最小の悪影響が、上述したニコレット５１０Ｐセンサを用いて測定された。この実験では、様々なプラズマ気体のタイプ及び流率に対し、ニコレット・センサを用いても、ＳｉＦ４は測定されなかった。
ＮＦ３を解離する別の実験が行われた。図２Ａ及び２Ｂの注入源１０４は、この注入源１０４の本体２００の領域１６４の中に１００ｓｃｃｍのＮＦ３を導くのに用いられた。入口１８０のそれぞれに対して、約０．５ｍｍの内径が選択された。下流気体（ＮＦ３）は、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して、約１．０ｃｍ（すなわち、距離１４８）においてに導かれる。図７には、図１の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＮＦ３の解離結果のプロット７００が図解されている。プロット７００のＹ軸７１２は、ＮＦ３の解離百分率である。プロット７００のＸ軸７１６は、プラズマ・チャンバ１０８の中に導かれたプラズマ気体の単位をＴｏｒｒとする気圧である。この実験の動作条件の下では、Ａｒプラズマ気体（曲線７１０として示されている）を用いたＮＦ３の解離百分率は、Ａｒの気圧に対して比較的に低感度である。
図解されているように、曲線７０４は、１ｓｌｍのＮ２プラズマ流量に対しては、１００ｓｃｃｍのＮＦ３の解離百分率は、１Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力におけるＮＦ３の約１５％の解離から、３Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力におけるＮＦ３の約４２％の解離まで増加することを示している。曲線６０８は、４／０．４ｓｌｍのＯ２／Ｎ２のプラズマ気体流量に対しては、１００ｓｃｃｍのＮＦ３の解離百分率は、１Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力におけるＮＦ３の約１０％の解離から、６Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力におけるＮＦ３の約９０％の解離まで増加することを示している。曲線７１０は、６ｓｌｍのＡｒプラズマ気体流量に対しては、１００ｓｃｃｍのＮＦ３の解離百分率は、２Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力では約１９％、６Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力では約２２％、１０Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力では約２１％である。
この実験では、石英チャンバ１０８に対する解離された下流気体１５２の最小の悪影響が、上述したニコレット５１０Ｐセンサを用いて測定された。この実験では、様々なプラズマ気体のタイプと流率と圧力とに対し、ニコレット・センサを用いても、ＳｉＦ４は測定されなかった。
ＮＦ３を解離する別の実験が行われた。図２Ａ及び２Ｂの注入源１０４は、この注入源１０４の本体２００の領域１６４の中にＮＦ３を導くのに用いられた。入口１８０のそれぞれに対して、約０．５ｍｍの内径が選択された。下流気体（ＮＦ３）は、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して、約１．０ｃｍ（すなわち、距離１４８）においてに導かれる。図８には、図１の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＮＦ３の解離結果のプロット８００が図解されている。プロット８００のＹ軸８１２は、ＮＦ３の解離百分率である。プロット７００のＸ軸８１６は、単位をｓｃｃｍとする下流気体ＮＦ３の流率である。
曲線８０４は、流率が４／０．４ｓｌｍのＯ２／Ｎ２プラズマ気体に対しては、ＮＦ３の解離百分率は、約２５ｓｃｃｍのＮＦ３の流率から約２００ｓｃｃｍのＮＦ３の流率まで約７５％に保たれている。この曲線は、これらの動作条件の下ではＮＦ３の解離百分率は、ＮＦ３の相対的に一定の解離によって示されているように、ＮＦ３の流率に対して低感度であることを示している（曲線８０４）。図８のプロット８００の曲線８０６は、約６ｓｌｍの流率で６Ｔｏｒｒの圧力でのＡｒプラズマ気体に対しては、ＮＦ３の解離百分率は、約５０ｓｃｃｍのＮＦ３の流率における約４０％から、約２００ｓｃｃｍのＮＦ３の流率における約１５％まで増加することを示している。
この実験では、石英チャンバ１０８に対する解離された下流気体１５２の最小の悪影響が、上述したニコレット５１０Ｐセンサを用いて測定された。この実験では、気体解離システム１００の様々な動作条件に対し、ニコレット・センサを用いても、ＳｉＦ４は測定されなかった。
例えば、ＣＦ４を解離する別の実験が行われた。図３Ａ及び３Ｂの注入源１０４は、この注入源１０４の本体２００の領域１６４の中に１００ｓｃｃｍのＣＦ４を導くのに用いられた。入口１８０のそれぞれに対して、約０．５ｍｍの内径が選択された。入口１８０のそれぞれに対する角度３０４に対して、３０度の角度が選択された。下流気体（ＣＦ４）は、石英プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して、約０．５ｃｍ（すなわち、距離１４８）において導かれる。図９には、図１の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＣＦ４の解離結果のプロット９００が図解されている。プロット９００のＹ軸９１２は、ＣＦ４の解離百分率である。プロット９００のＸ軸９１６は、プラズマ気体源１１２によってチャンバ１０８の中に導かれるプラズマ気体の１分当たりの標準リットルにおける気体流率である（Ｎ２（曲線９０４）、Ｏ２／Ｎ２（曲線９
０８）、Ｏ２、Ａｒ）。
図９は、１００ｓｃｃｍの下流気体ＣＦ４では、プラズマ気体流率が増加するとＣＦ４の解離百分率が増加することを示している。図解されているように、曲線９０４は、Ｎ２プラズマ気体に対しては、毎分１００標準立方センチメートルのＣＦ４の解離百分率は、約１．０ｓｌｍのＮ２プラズマ気体流率におけるＣＦ４の約１０％の解離から、約３ｓｌｍのＮ２プラズマ気体流率におけるＣＦ４の約３２％の解離まで増加することを示している。曲線９０８は、Ｏ２／Ｎ２のプラズマ気体に対しては、１００ｓｃｃｍのＣＦ４の解離百分率は、２．０／０．２ｓｌｍのＯ２／Ｎ２気体流率におけるＣＦ４の約５％の解離から、５．０／０．５ｓｌｍのＯ２／Ｎ２気体流率におけるＣＦ４の約４６％の解離まで増加することを示している。
この実験では、石英チャンバ１０８に対する解離された下流気体１５２の最小の悪影響が、上述したニコレット５１０Ｐセンサを用いて測定された。この実験では、様々なプラズマ気体のタイプ及び流率に対し、ニコレット・センサを用いても、ＳｉＦ４は測定されなかった。
例示として、ＣＦ４を解離する別の実験が行われた。図３Ａ及び３Ｂの注入源１０４は、この注入源１０４の本体２００の領域１６４の中に１００ｓｃｃｍのＣＦ４を導くのに用いられた。入口１８０のそれぞれに対して、約０．５ｍｍの内径が選択された。入口１８０のそれぞれに対する角度３０４として、３０度の角度が選択された。下流気体（ＣＦ４）は、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して、約０．５ｃｍ（すなわち、距離１４８）においてに導かれる。図１０には、図１の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＣＦ４の解離結果のプロット１０００が図解されている。プロット１０００のＹ軸１０１２は、ＣＦ４の解離百分率である。プロット１０００のＸ軸１０１６は、プラズマ気体の単位をＴｏｒｒとする気圧である（１ｓｌｍのＮ２、４／０．４ｓｌｍのＯ２／Ｎ２（曲線１００４）、４ｓｌｍのＯ２、６ｓｌｍのＡｒ）。
曲線１００４は、４／０．４ｓｌｍのＯ２／Ｎ２プラズマ流量に対しては、ＣＦ４の毎分１００標準立方センチメートルのｓｃｃｍのＮＦ３の流量の解離百分率は、１Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力におけるＣＦ４の約５％の解離から、６Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力におけるＣＦ４の約３９％の解離まで増加することを示している。曲線１００８は、６ｓｌｍのＡｒプラズマ気体流量に対しては、ＣＦ４の毎分１００標準立方センチメートルのｓｃｃｍのＮＦ３の流量の解離百分率は、２．０Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力におけるＣＦ４の約２０％の解離から、１０Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力におけるＣＦ４の約２５％の解離まで増加することを示している。
この実験では、石英チャンバ１０８に対する解離された下流気体１５２の最小の悪影響が、上述したニコレット５１０Ｐセンサを用いて測定された。この実験では、様々なプラズマ気体のタイプと流率と圧力とに対し、ニコレット・センサを用いても、ＳｉＦ４は測定されなかった。
ＮＦ３を解離する別の実験が行われた。図２Ａ及び２Ｂの注入源１０４は、この注入源１０４の本体２００の領域１６４の中にＮＦ３を導くのに用いられた。入口１８０のそれぞれに対して、約０．５ｍｍの内径が選択された。下流気体（ＮＦ３）は、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して、約１．０ｃｍ（すなわち、距離１４８）においてに導かれる。図８には、図１の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＮＦ３の解離結果のプロット８００が図解されている。プロット８００のＹ軸８１２は、ＮＦ３の解離百分率である。プロット７００のＸ軸８１６は、単位をｓｃｃｍとする下流気体ＮＦ３の流率である。
図１１Ａには、図１の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＣＨＦ３の解離結果のプロット１１００が図解されている。プラズマ気体は、Ｏ２とＮ２との比率が１０：１であるＯ２／Ｎ２の混合物である。プロット１１００のＹ軸１１１２は、ＣＨＦ３の解離百分率である。プロット１１００のＸ軸１１１６は、プラズマ気体源１１２によってチャンバ１０８の中に導かれたプラズマ気体におけるＯ２の１分当たりの標準リットルにおける気体流率である。図１１Ａの曲線１１０４は、１．５Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力と１００ｓｃｃｍの流量の下流気体ＣＨＦ３に対しては、１ｓｌｍから４ｓｌｍの範囲のプラズマ気体におけるＯ２の流率を用いると、ほぼ１００％のＣＨＦ３の解離が得られることを示している。
図１１Ｂには、図１の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＣＨＦ３の解離結果のプロット１１０２が図解されている。プロット１１０２のＹ軸１１１４は、ＣＨＦ３の解離百分率である。プロット１１０２のＸ軸１１１８は、ｓｃｃｍを単位とする下流ＣＨＦ３の流率である。図１１Ｂの曲線１１０８は、１．５Ｔｏｒｒのプラズマ気体圧力における４ｓｌｍのＯ２と０．４ｓｌｍのＮ２とのプラズマ気体流率では、１００ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍの範囲の下流ＣＨＦ３の流率を用いると、ほぼ１００％のＣＨＦ３の解離が得られることを示している。
この実験では、石英チャンバ１０８に対する解離された下流気体１５２の最小の悪影響が、上述したニコレット５１０Ｐセンサを用いて測定された。この実験では、様々なプラズマ気体圧力とＣＨＦ３（下流気体）が石英プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対する領域１６４の中に注入される距離１４８とに対し、ニコレット・センサを用いて、ＳｉＦ４は測定されなかった。
図１２に図解されている別の実施例では、システム１００は、プラズマ・チャンバ１０８に気体ライン１１６を介して接続されたプラズマ気体源１１２を含む。プラズマ発生器１８４は、プラズマ・チャンバ１０８の中にプラズマ領域１３２を発生する。プラズマ１３２は、プラズマ下流気体１３４を含み、その一部は、プラズマ領域１３２の外へ流れる。システム１００は、注入源１０４を含む。この実施例では、注入源１０４は、注入源１０４の気体入口に結合されたＬ形のパイプ１９０を含む。パイプ１９０は、気体（例えば、活性化気体１３４によって解離される下流気体）をシステム１００の領域１９２に導く。領域１９２（すなわち、活性化気体１３４が下流気体と相互作用する場所）は、パイプ１９０の出力１９６がどこに配置されているかに左右される。パイプ１９０の出力１９６は、例えば、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２の中の距離１９４に配置されうる。パイプ１９０の出力１９６は、また、例えば、注入源１０４が出力１７２から遠ざかってプロセス・チャンバ１５６の方向へ移動される場合には、チャンバ１０８の出力１７２の外部にある距離に配置することもできる。このようにして、下流気体は、プラズマ・チャンバ１０８の内部又は外部においてシステム１００の中へ導かれる。
例として、ＮＦ３を解離する実験が行われた。図１２の注入源１０４は、システム１００の領域１９２の中にＮＦ３を導くのに用いられた。図１３には、図１２の気体解離システム１００のような気体解離システムを用いて得られたＮＦ３の解離結果のプロット１３００が図解されている。プロット１３００のＹ軸１３１２は、ＮＦ３の解離百分率（パーセンテージ）である。プロット１３００のＸ軸１３１６は、石英プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対して領域１６４の中へＮＦ３（下流気体）が注入される距離１４８である。この実験では、あるテストの際に、ＮＦ３は、チャンバ１０８の出力１７２の内部に約０．５ｃｍの距離１９４において注入された。ＮＦ３は、別のテストの際には、チャンバ１０８の出力１７２の外部にある距離１４８（約１．０ｃｍ、３．８ｃｍ、６．６ｃｍ、９．４ｃｍ、１２．２ｃｍ）においても注入された。
図１３は、ＮＦ３の解離百分率は、様々なプラズマ気体タイプ、流率及び圧力に対して減少することを示している（４Ｔｏｒｒの毎分４標準リットル（ｓｌｍ）のＯ２（曲線１３０４）、２Ｔｏｒｒの３ｓｌｍのＮ２、９Ｔｏｒｒの１０ｓｌｍのＡｒ、６Ｔｏｒｒの６ｓｌｍのＡｒ、４Ｔｏｒｒでの４ｓｌｍのＯ２と０．４ｓｌｍのＮ２との混合物（曲線１３０８））。図解されているように、曲線１３０４は、プラズマ気体の圧力が４ＴｏｒｒであってＯ２のプラズマ気体のプラズマ気体源１１２からプラズマ・チャンバ１０８の中への流率が４ｓｌｍである場合には、１００ｓｃｃｍのＮＦ３の解離百分率は、約０．５ｃｍと等しい距離１９４におけるＮＦ３の約９０％の解離から、約１２．２ｃｍと等しい距離１４８におけるＮＦ３の約２％の解離まで減少することを示している。曲線１３０８は、プラズマ気体の圧力が４ＴｏｒｒであってＯ２／Ｎ２のプラズマ気体のプラズマ・チャンバ１０８の中への流率が４／０．４ｓｌｍである場合には、ＮＦ３の解離百分率は、約０．５ｃｍと等しい距離１９４におけるＮＦ３の約８１％の解離から、約１２．２ｃｍと等しい距離１４８におけるＮＦ３の約０％の解離まで減少することを示している。
この実験では、石英チャンバ１０８に対する解離された下流気体１５２の最小の悪影響が、上述したニコレット５１０Ｐセンサを用いて測定された。この実験では、様々なプラズマ気体圧力とＮＦ３（下流気体）が石英プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に対する領域１９２の中に注入される距離１４８とに対し、ニコレット・センサを用いて、ＳｉＦ４は測定されなかった。
図１４は、本発明を実現する解離気体を生じる際に用いられる注入源１０４を含む気体解離システム（例えば、図１のシステム１００）の一部の概略的な断面図である。注入源１０４の本体２００は、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２に接続されている（チャンバ１０８の一部だけが、図解を明確にする目的のために示されている）。注入源１０４は、注入源１０４の本体を通過して延長する６つの入口１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄ、１８０ｅ、１８０ｆ（全体を１８０で示す）を有する。入口１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｅ、１８０ｆは、図解を明確にする目的のために省略されている。入口１８０は、それぞれが、本体２００の外部表面２０４における開口から、本体２００の領域１６４の内側表面２１４に沿った開口まで延長している。入口１８０は、下流気体源（例えば、図１の気体源１３６）に接続され、下流気体の流れを入口１８０を介して領域１６４に提供する。
プラズマ活性化気体１３４は、プラズマ・チャンバ１０８の出力１７２を介して領域１６４に入る。下流気体とプラズマ活性化気体１３４との間の反応は、２つの気体のストリームが混合されるときに生じる。気体の混合を促進すると、下流気体の解離が進行する。いくつかの実施例では、気体の混合がプラズマ・チャンバの出力１７２に近接した位置で生じることが効果的である。このようにして、混合は、例えば、プロセス・チャンバに入る際に、解離された気体に対して最小の効果を有しうる。
ヘリカル・ミキサ、ブレード、スタック形円筒ミキサなど様々な静フロー・ミキサを、下流気体とプラズマ活性化気体とを混合するのに用いることができる。図１４を参照すると、この実施例では、領域１６４の直径は、プラズマ・チャンバ出力１７２の直径１４０８よりも大きい。出口１４０８の直径１４０８が領域１６４の直径１４０４に変化することに起因して、フロー経路の直径の急激な拡大し、それによって、活性化気体フロー１３４の発生時に領域１６４において乱流と気体の再循環とが生じる。乱流及び再循環により混合が強化され、下流気体の解離が促進される。
この出願において記載された内容の変更、修正及び改良は、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された発明の精神及び範囲から逸脱することなく想到できる。従って、本発
明は、以上の発明の詳細な説明によって定義されるのではなく、特許請求の範囲の精神及び範囲によって定義される。
解離された気体を生じて本発明を実施するプラズマ源の部分的な概略図である。 図２Ａは、本発明の実施例による気体注入源の断面図である。図２Ｂは、図２Ａの注入源を端部から見た図である。 図３Ａは、本発明の実施例による気体注入源の断面図である。図３Ｂは、図３Ａの注入源を端部から見た図である。 本発明による気体解離システムを用いた場合に、ＮＦ３がプラズマ源に注入される石英プラズマ・チャンバの出力からの距離の関数としてＮＦ３の解離百分率を表したグラフ表現である。 本発明による気体解離システムを用いた場合に、ＣＦ４がプラズマ源に注入される石英プラズマ・チャンバの出力からの距離の関数としてＣＦ４の解離百分率を表したグラフ表現である。 本発明による気体解離システムを用いた場合に、プラズマ気体流率の関数としてＮＦ３の解離百分率を表したグラフ表現である。 本発明による気体解離システムを用いた場合に、プラズマ気体圧力の関数としてＮＦ３の解離百分率を表したグラフ表現である。 本発明による気体解離システムを用いた場合に、下流ＮＦ３流率の関数としてのＮＦ３の解離百分率を表したグラフ表現である。 本発明による気体解離システムを用いた場合に、プラズマ気体流率の関数としてＣＦ４の解離百分率を表したグラフ表現である。 本発明による気体解離システムを用いた場合に、プラズマ気体圧力の関数としてＣＦ４の解離百分率を表したグラフ表現である。 図１１Ａは、本発明による気体解離システムを用いた場合に、プラズマ気体流率の関数としてＣＨＦ３の解離百分率を表したグラフ表現である。図１１Ｂは、本発明による気体解離システムを用いた場合に、下流ＣＨＦ３流率の関数としてのＣＨＦ３の解離百分率を表したグラフ表現である。 解離された気体を生じて本発明を実施するプラズマ源の部分的な概略図である。 本発明による気体解離システムを用いた場合に、ＮＦ３がプラズマ源に注入される石英プラズマ・チャンバの出力からの距離の関数としてＮＦ３の解離百分率を表したグラフ表現である。 本発明の実施例による気体注入源の一部の断面図である。

Claims (49)

  1. 気体を解離する方法であって、
    チャンバの中でプラズマを用いて活性化気体を発生するステップと、
    前記チャンバの出力に対して下流気体入力を配置して、前記活性化気体が、前記気体入力によって導かれた下流気体の解離を容易化することを可能にするステップと、
    を含んでおり、前記解離された下流気体は、前記チャンバの内部表面とは実質的に相互作用しないことを特徴とする方法。
  2. 請求項１記載の方法において、前記プラズマは遠隔プラズマ源によって発生されることを特徴とする方法。
  3. 請求項２記載の方法において、前記遠隔プラズマ源は、ＲＦプラズマ発生器とマイクロ波プラズマ発生器とＤＣプラズマ発生器とで構成されるグループから選択された遠隔プラズマ源であることを特徴とする方法。
  4. 請求項１記載の方法において、前記プラズマは、酸素と窒素とヘリウムとアルゴンとの中の１又は複数を含むプラズマ気体から発生されることを特徴とする方法。
  5. 請求項１記載の方法において、前記下流気体はハロゲン気体を含むことを特徴とする方法。
  6. 請求項５記載の方法において、前記下流気体は、Ｆ２、ＸｅＦ２、ＮＦ３、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、Ｃ２ＨＦ５、Ｃ３Ｆ８及びＣ４Ｆ８で構成されるグループから選択されたハロゲン気体を含むことを特徴とする方法。
  7. 請求項１記載の方法において、前記下流気体はフッ素を含むことを特徴とする方法。
  8. 請求項１記載の方法において、前記チャンバの内部表面は、石英、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、イットリウム及びサファイアで構成されるグループから選択された材料を含むことを特徴とする方法。
  9. 請求項１記載の方法において、前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記解離された下流気体と前記チャンバの内部表面との間の相互作用を最小化する位置において導かれることを特徴とする方法。
  10. 請求項１記載の方法において、前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記下流気体が解離される程度を最大化する位置において導かれることを特徴とする方法。
  11. 請求項１記載の方法において、前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記解離された下流気体が前記チャンバの内部表面と相互作用する程度と前記下流気体が解離される程度とを均衡させる位置において導かれることを特徴とする方法。
  12. 請求項１記載の方法において、前記解離された下流気体は基板のエッチングを容易化するのに用いられることを特徴とする方法。
  13. 請求項１記載の方法において、前記下流気体の解離を最適化するように前記下流気体の特性を特定するステップを含むことを特徴とする方法。
  14. 請求項１３記載の方法において、前記特性は、圧力と流率と前記チャンバの出力から注
    入された距離との中の１又は複数であることを特徴とする方法。
  15. 請求項４記載の方法において、前記下流気体の解離を最適化するように前記プラズマ気体の特性を特定するステップを含むことを特徴とする方法。
  16. 請求項１５記載の方法において、前記特性は、圧力と流率と気体のタイプと気体組成とプラズマへの電力との中の１又は複数であることを特徴とする方法。
  17. 請求項１記載の方法において、前記下流気体は、前記チャンバに結合されたプロセス・チャンバの中に配置された半導体ウエハの上に積層された材料を含むことを特徴とする方法。
  18. 気体を解離する方法であって、
    チャンバの中でプラズマから活性化気体を発生するステップと、
    前記チャンバの出力に十分に近接した位置において前記チャンバの外部にある前記活性化気体の中に下流気体を導くことにより、前記活性化気体が前記下流気体の解離を容易化するのに十分なエネルギ・レベルを有するようにするステップと、
    を含んでおり、前記位置が前記チャンバの出力から十分に離間していることにより、前記解離された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しないことを特徴とする方法。
  19. フォトレジストをエッチングする方法であって、
    チャンバの中でプラズマを用いて活性化気体を発生するステップと、
    下流気体と前記活性化気体の少なくとも一部とを混合することにより、ｉ）前記活性化気体が前記下流気体の解離を容易化するのに十分なエネルギ・レベルを有し、ｉｉ）前記解離された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しないようにするステップと、
    前記解離された下流気体を用いて基板をエッチングするステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  20. 気体を解離する方法であって、
    チャンバの中でプラズマを用いて活性化気体を発生するステップと、
    前記プラズマによって定義される領域の外部にある前記活性化気体と相互作用するように下流気体を導き、前記活性化気体が前記下流気体の解離を容易化することを可能にするステップと、
    を含んでおり、前記解離された気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しないことを特徴とする方法。
  21. 気体を解離するシステムであって、
    チャンバの中で活性化気体を発生するプラズマを発生するプラズマ源と、
    前記活性化気体の少なくとも一部と下流気体とを混合し、前記活性化気体が前記下流気体の解離を容易化することを可能にする手段と、
    を含んでおり、前記解離された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しないことを特徴とするシステム。
  22. 気体を励起するシステムであって、
    チャンバの中でプラズマ領域を発生する遠隔プラズマ源であって、前記プラズマは活性化気体を発生する、遠隔プラズマ源と、
    前記プラズマ領域の外部にある前記活性化気体と相互作用するように下流気体を導く注入源と、
    を含んでおり、前記活性化気体は前記下流気体の励起を容易化し、前記励起された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しないことを特徴とするシステム。
  23. 請求項２２記載のシステムにおいて、前記下流気体の励起は前記下流気体の解離を含むことを特徴とするシステム。
  24. 請求項２２記載のシステムにおいて、前記チャンバの腐食又は前記チャンバへの積層を減少させるように前記チャンバの出力に配置されたバリアを含むことを特徴とするシステム。
  25. 請求項２４記載のシステムにおいて、前記バリアは少なくとも部分的には前記チャンバの内部に配置されていることを特徴とするシステム。
  26. 請求項２４記載のシステムにおいて、前記バリアは少なくとも部分的には前記チャンバの出力経路の内部に配置されていることを特徴とするシステム。
  27. 請求項２２記載のシステムにおいて、前記チャンバの出力経路の内部に配置されたバリアを含むことを特徴とするシステム。
  28. 請求項２２記載のシステムにおいて、前記チャンバは石英を含むことを特徴とするシステム。
  29. 請求項２８記載のシステムにおいて、前記チャンバはトロイダル形のチャンバであることを特徴とするシステム。
  30. 請求項２２記載のシステムにおいて、前記プラズマ源はトロイダル・プラズマ源であることを特徴とするシステム。
  31. 請求項２２記載のシステムにおいて、下流気体と活性化気体とを混合するミキサを含むことを特徴とするシステム。
  32. 請求項３１記載のシステムにおいて、前記ミキサは、静流ミキサ、ヘリカル・ミキサ、ブレード又はスタック型円筒ミキサを含むことを特徴とするシステム。
  33. 請求項２２記載のシステムにおいて、パージ気体入力を含むことを特徴とするシステム。
  34. 請求項３３記載のシステムにおいて、前記パージ気体入力は前記チャンバの出口と前記注入源の入力との間に配置されていることを特徴とするシステム。
  35. 基板の上に材料を積層する方法であって、
    チャンバの中でプラズマを用いて活性化気体を発生するステップと、
    前記チャンバの出力に対して下流気体入力を配置して、前記活性化気体が前記気体入力によって導かれる下流気体の解離を容易化するのを可能にするステップと、
    を含んでおり、前記下流気体は積層される材料を含み、前記解離された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しないことを特徴とする方法。
  36. 請求項３５記載の方法において、前記プラズマは遠隔プラズマ源によって発生されることを特徴とする方法。
  37. 請求項３５記載の方法において、前記遠隔プラズマ源は、ＲＦプラズマ発生器とマイクロ波プラズマ発生器とＤＣプラズマ発生器とで構成されるグループから選択された遠隔プラズマ源であることを特徴とする方法。
  38. 請求項３５記載の方法において、前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記解離された下流気体と前記チャンバの内部表面との間の相互作用を最小化する位置において導かれることを特徴とする方法。
  39. 請求項３５記載の方法において、前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記下流気体が解離される程度を最大化する位置において導かれることを特徴とする方法。
  40. 請求項３５記載の方法において、前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記解離された下流気体が前記チャンバの内部表面と相互作用する程度と前記下流気体が解離される程度とを均衡させる位置において導かれることを特徴とする方法。
  41. 請求項３５記載の方法において、積層される材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｓｒ又はＡｌの中の１又は複数を含むことを特徴とする方法。
  42. 請求項３５記載の方法において、前記下流気体は、前記チャンバの出力に対して、前記解離された下流気体が前記チャンバの内部表面と相互作用する程度と前記下流気体が解離される程度とを均衡させる位置において導かれることを特徴とする方法。
  43. 基板の上に材料を積層するシステムであって、
    チャンバの中でプラズマ領域を発生する遠隔プラズマ源であって、前記プラズマは活性化気体を発生する、遠隔プラズマ源と、
    前記プラズマ領域の外部にある前記活性化気体と相互作用するように、積層材料を含む下流気体を導く注入源と、
    を含んでおり、前記活性化気体は前記下流気体の励起を容易化し、前記励起された下流気体は前記チャンバの内部表面と実質的に相互作用しないことを特徴とするシステム。
  44. 請求項４３記載のシステムにおいて、前記下流気体の励起は前記下流気体の解離を含むことを特徴とするシステム。
  45. 請求項４３記載のシステムにおいて、前記積層材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｓｒ又はＡｌの中の１又は複数を含むことを特徴とする方法。
  46. 請求項４３記載のシステムにおいて、下流気体と活性化気体とを混合するミキサを含むことを特徴とするシステム。
  47. 請求項４６記載のシステムにおいて、前記ミキサは、静流ミキサ、ヘリカル・ミキサ、ブレード又はスタック型円筒ミキサを含むことを特徴とするシステム。
  48. 請求項４３記載のシステムにおいて、パージ気体入力を含むことを特徴とするシステム。
  49. 請求項４８記載のシステムにおいて、前記パージ気体入力は前記チャンバの出口と前記注入源の入力との間に配置されていることを特徴とするシステム。
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